Dùng phương pháp moment tính trường bức xạ của antenna vi dải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN CAO HỌC ĐỀ TÀI: TÍNH TRƯỜNG CỦA ANTEN VI DẢI DÙNG PHƯƠNG PHÁP MOMENT THD: PSG.TS VŨ ĐÌNH THÀNH HV: NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN CAO HỌC K11 Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment 113 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT Qua số kết tính trường anten vi dải có chiều dài L=60mm, chiều rộng D=20mm số điện môi tương đối ε r = Antenna chia thành 10 × 10 phần tử nhìn chung phương pháp có số tính chất sau: Các đồ thị xạ biểu diễn chuẩn hóa theo cự ly, tính trường bất kiø điểm không gian Qua kết mô kết đồ thị xạ phù hợp với phương pháp khác với thực tế đo đạc [5] Các đồ thị minh họa cho phân bố dòng thể rõ chất phân bố dòng tùy theo vị trí cấp nguồn Trở kháng xạ antenna thay đổi cách thay đổi vị trí cấp nguồn Như nhìn chung phương pháp cho kết xác Tuy nhiên phải tính tích phân số thuật toán tính toán phải nhiều thời gian Ở đây, tính toán thực antenna patch chữ nhật cấp nguồn qua probe Phươngpháp mở rộngcho antenna với hình dạng Các phương pháp cấp nguồn khác thực với mô hình với mô hình cấp nguồn thích hợp [3][8][11] THD PGS.TS Vũ Đình Thành HV:Nguyễn Dương Thế Nhân LỜI NGỎ Một vấn đề khó khăn lý thuyết antenna vi dải phương pháp tính trường antenna Một số giải pháp đưa Trong số có vài phương pháp đơn giản quen thuộc phương pháp phân tích đường truyền vi dải, phương pháp cộng hưởng v,v…Đối với phương pháp này, ưu điểm đơn giản tính toán, mô hình dễ thực Tuy nhiên khuyết điểm lớn phương pháp không đạt xác cao đa số trường hợp phức tạp Ngày nay, nói antenna vi dải phủ nhận khả ứng dụng rộng rãi Tính tiện lợi chổ nhỏ gọn, ổn định giá thành thấp Tuy nhiên để ứng dụng vào thực tế tốt cần phải hiểu tốt tính chất thông số antena vi dải Muốn cần phải cải tiến phương pháp tính toán cho anten vi dải Để có lời giải xác cần phải dựa chặt chẽ vào lý thuyết trường điện từ Tuy nhiên đưa phương trình tích phân dựa vào điều kiện biên giải cách đơn giản biểu thức tính toán thông thường Đến đây, lời giải cần thực phương pháp số Một mục tiêu đặt cần phải xây dựng phương trình thích hợp cho việc giải phương pháp số đồng thời phải tối ưu khối lượng tính toán Công cụ thích hợp toán tính trường phương pháp moment Đề tài đặt trọng tâm vào việc giải toán trường antenna vi dải phương pháp moment Trên hết xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Vũ Đình Thành tập thầy cô Khoa Điện – Điện Tử đã truyền thụ kiến thức suốt bao năm qua tận tình giúp đỡ hướng dẫn cho kết đề tài 12-2002 Bộ Môn Viễn Thông Khoa Điện-Điện Tử Đại học Bách Khoa Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment MỤC LỤC Chương 1: Một số tính chất antenna vi dải Giới thiệu Các đặc tính Các loại cấu hình anten vi dải Chương 2: Các phương pháp cấp nguồn Cấp nguồn probe/cáp đồng trục (coaxial feed/probe coupling) Cấp nguồn phương pháp vi dải Phương pháp ghép gần Ghép khe Ghép ống dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide feed) Chương 3: Cơ sở phương pháp moment Cơ sở phương pháp moment Hàm sở Các hàm trọng số (hàm mẫu) (weighting, testing) Chương 4: Các mô hình đơn giản Mô hình đøng truyền sóng (transmission line mode) Mô hình hốc cộng hưởng (the cavity model) Chương 5: Phương pháp phân tích toàn sóng Phương pháp phổ toàn sóng Trở kháng vào hiệu suất xạ Thành phần xạ Mô hình toán học cho nguồn kích thích Chương 6: phân tích phương trình tích phân kết hợp mpie (mixed potential integral equation) Điều kiện biên phương trình tích phân kết hợp THD PGS.TS Vũ Đình Thành HV:Nguyễn Dương Thế Nhân Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment Phương pháp moment Mô hình cấp nguồn tính toán trở kháng vào Thành phần xạ Chương 7: Xây dựng chương trình mô Các yêu cầu Tính phần tử ma trận Giải phương trình ma trận Phần mềm Kết mô Kết luận Tham khảo THD PGS.TS Vũ Đình Thành HV:Nguyễn Dương Thế Nhân Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment CHƯƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ANTENNA VI DẢI GIỚI THIỆU Từ năm 1953, Deschamps đưa ý tưởng anten vi dải Tuy nhiên phải thập niên 70, với xuất kỹ thuật chế tạo điện môi mới, suy hao hấp thu nhiệt với phát triển mạnh phương pháp tính toán mạnh, xác thúc đẩy mạnh mẽ ứng dụng anten vi dải Từ nay, ứng dụng anten vi dải không ngừng mở rộng Từ anten gắn tên lửa dùng quân sự, anten gắn máy bay anten kết nối thiết bị đầu cuối không dây antenna truyền liệu mạng không dây Một yếu tố làm cho ứng dụng anten vi dải phát triền mạnh ưu điểm kích thước nhỏ, gọn, giá thành thấp dễ lắp đặt vận hành ổn định Ngày nay, người ta tích hợp anten vi dải mạch in Các anten chế tạo để gắn nơi bề mặt phẳng hay phức tạp Hình dạng anten thay đổi từ vuông đến tròn, xuyến, tam giác v,v… để dễ dàng thay đổi tần số cộng hưởng, phân cực, búp sóng, trở kháng Hơn nữa, cách nối tải hay diode PIN, diode biến dung bề mặt anten với lớp nền, người ta thay đổi linh động đặc tính anten Tuy nhiên bất lợi chủ yếu anten vi dải vấn đề hiệu suất thấp, công suất nhỏ, hệ số phẩm chất Q cao (đôi vượt 100), phân cực băng thông hẹp Có nhiều phương pháp để khắc phục khuyết điểm anten vi dải Ví dụ chiều cao lớp điện môi tăng lên để tăng hiệu suất Tuy nhiên, lớp điện môi dày thành phần sóng mặt suy giảm thành phần sóng không THD PGS.TS Vũ Đình Thành HV:Nguyễn Dương Thế Nhân Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment gian lại tăng lên đáng kể Cách khác thay đổi điện môi với tính chất phù hợp, cách khó khăn đắt tiền Để nâng cao ưu điểm khắc phục khuyết điểm anten vi dải, người ta đưa nhiều phương pháp khác Các tính chất, thông số anten cần nắm rõ Nhiều phương pháp tính trường đưa từ phương pháp đơn giản mô hình đường dây truyền sóng, hốc cộng hưởng, phương pháp toàn sóng phức tạp phương pháp phần tử hữu hạn, FDTD phương pháp moment CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN 2.1 Nguyên lý xạ anten vi dải Để có anten vi dải với hiệu suất cao, cần phải có lớp điện môi dày độ từ thẩm thấp Trường xạ anten xác định từ phân bố trường bề mặt kim loại lớp anten Đồng thời trường xạ xác định từ phân bố dòng bề mặt kim loại anten L Jb Jt εr h Hình 1.1 Phân bố điện tích dòng điện antenna vi dải Xét antenna vi dải nối với nguồn kích thích Quá trình cung cấp lượng cho patch antenna làm thay đổi phân bố điện tích bên bên bề mặt kim loại antenna bề mặt lớp kim loại mặt đất Các lực điện trường điện tích có khuynh hướng đẩy điện tích từ phía lớp kim loại bề mặt antenna lên bề mặt Quá trình chuyển động hình thành nên mật độ r r dòng J b J t phía phía lớp kim loại antenna hình 1.1 Hầu hết antenna vi dải, tỉ số h W nhỏ Vì thế, lực hút điện tích mạnh hầu tập trung điện tích dòng tồn bên lớp kim loại bề mặt Một lượng nhỏ dòng điện chảy từ cạnh THD PGS.TS Vũ Đình Thành HV:Nguyễn Dương Thế Nhân Tính trường antenna vi dải dùng phương pháp moment lớp kim loại bề mặt lên bề mặt hình thành nên phần nhỏ trường từ tiếp tuyến với cạnh Như vậy, thành phần trường bỏ qua số tính toán đơn giản Các giả thuyết thích hợp trường hợp lớp điện môi mỏng với số điện môi ε r lớn Bên cạnh lớp bé so với bước sóng h